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风力发电及其控制技术新进展探究杨寅午

发表时间：2020/5/7 来源：《电力设备》2020年第2期作者：杨寅午

[导读] 摘要：电力行业不仅直接关系到人们的生产生活，而且对国民经济发展有重要影响。

        （大唐丘北风电有限责任公司云南昆明 650100）
        摘要：电力行业不仅直接关系到人们的生产生活，而且对国民经济发展有重要影响。风力发电是我国电力生产的重要组成部分，近年来，随着人们低碳环保等意识的增强，风力发电作为一种新能源，得到了迅猛发展。风力发电技术是一项复杂的综合性技术，涉及到力学、空气动力学、机械学、材料学以及自动控制等多方面内容。本文主要分析了风力发电控制技术。
        关键字：风力发电；现状；控制技术；发展
        能源匮乏和环境污染是全球面临的严峻问题，调整能源结构，发展清洁新能源是解决这一难题的最佳选择。风电是作为一种新能源，有着可再生、能量大、无污染等特点，且风能在国内有着广泛的分布范围，开发和利用难度不大，其成本也比较稳定可控，因此，风力发电产业在我国发展前景很良好。笔者从我国风力发电现状分析入手，探讨了风力发电控制技术及其发展趋势。有不对之处，请批评指正。
        1我国风力发电现状
        我国风电企业经历了技术引进到消化吸收，现在已经逐步实现自主创新。当前国内5MW容量等级风电产品下线，国内兆瓦级风电机组逐渐普及，我国兆瓦级风电自主研发水平越来越高。随着我国风电装备制造产业的集中度越来越高，国内机组所占据的市场份额越来越高，风电机组制造相关企业已经基本能够满足国内风电发展实际需要，但是在变流器等方面还需要依靠进口，因此，我国风电装备制造业想要进一步发展，就必须要从技术方面出发，提高自主创新的重视度，投入更多的精力，做好核心技术攻关，尤其做好关键设备技术的研发。
        2风力发电控制技术分析
        2.1风轮控制技术
        2.1.1叶尖速比控制
        在风力作用下，风轮的风叶尖端的转动线速度就叫做叶尖速。而叶尖速比就是指叶尖速和该时间段风速的比值。叶尖速比控制方法就是通过对叶尖速比值进行有效控制，以此优化风机系统。考虑到风速不同，并在此基础上确定最佳叶尖速比，由于无法调节和控制自然风的速度、风力大小，因此，要想实现控制功能，必须对叶尖速进行调整和改变，包括对风轮转矩进行调整，以此调节风轮最外边缘的速度，从而优化叶尖速比。
        2.1.2功率信号反馈控制
        通过该方法来控制风轮的功率信号。在风轮运行过程中，其功率会随着条件的改变而改变，这是功率信号反馈控制方法的应用基础。通过分析功率关系进行最大功率曲线的绘制，在此基础上进行后续操作。在具体实践过程中，将最大功率和进行系统实际输出功率分析比较，获得二者差值，然后据此调整风轮桨矩，确保风轮运行功率达到最大。这一方法可以有效降低控制成本，但是值得注意的是，在风机日常运行过程中，最大功率曲线的获取是一项技术难题。
        2.1.3爬山搜索控制
        通过该方法对风机的功率点进行控制，其图像形似抛物线，最高处即为最大功率点。如果对当前工作点位置不能确定，可适当增加风轮转动速度，以此改变系统输出的直流功率，当系统输出的直流功率加大时，最高点在抛物线左侧，反之在右侧。利用该方法能够将最大功率点及时找出，在此基础上确定风轮转速。然而，如果风轮在转动时存在较大惯量，其转速很难改变，这是该方法的主要缺点。
        2.2风力发电机与相关电力电子变换器控制技术
        2.2.1风力发电机控制技术
        风力是风力发电的能量来源，由于风力在距地面位置较高处更大，因此能量转化需在高空完成。发电机及其相关设备应当尽可能提高其工作效率，并减轻其重量。永磁发电机具有损耗小、效率高等优点，在风力发电系统中有着广泛应用。目前可采取模块化方式进行发电机制造，以此实现制作成本的降低。除此之外，在控制风力发电系统中的发电机时，通常采取矢量控制方法，该方法能够实现直轴电流以及交轴电流二者的耦合解除，由此降低系统功率因数的控制难度。

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        2.2.2电力电子变换器控制技术
        在风力发电系统中，其电力电子变换器必须具备下列特征：具有较广的使用面，能够在大型风力发电系统中得到高效应用；在对风能进行转换时，具有较高的能量转换率，在转换完成后，还要具有较高的传输效率；能够对无功功率进行有效条件，实现功率因素的改善；具有较高的可靠性和安全性能。在确保运行效率较高的同时，具有大范围功率；设备成本不高，经济合理等。在风电系统中使用PWM整流器，可以对系统最大功率进行有效控制。在使用整流器时，采取矢量控制方式能够将有功功率与无功功率之间的耦合解除，确保得到的无功功率满足运行要求。除此之外，PWM整流器还能确保有功功率的输出量达到最大，通过对直流环节进行设置，从而有效调节风电系统的无功功率和有功功率。
        2.3风能发电中的无功功率补偿
        受感性元件影响，电力系统中的无功功率会产生消耗现象。当电压通过感性元件时，由于仅仅是无功功率出现消耗，感性元件两端的电压不会产生变化，如果存在较高电压，感性元件会有大电流通过，可能会损坏元件设备。这种情况下，应当对风力发电系统进行无功功率补偿，对谐波作用进行抑制。电容投切法在无功功率补偿中有着广泛应用，但是该方法也存在一定缺点，例如：如果在相同时间内投入的电容容量过大，会导致电压波动产生。
        2.4现代控制技术
        风力发电现代控制技术主要有以下几种：变结构控制、鲁棒控制、自适应控制以及智能控制等。在风电系统中，变结构控制应用较广，其主要原因为该控制方法具备响应速度快、设计简便、便于实现等优点；在对多变量问题进行处理时，鲁棒控制能够取得良好效果，对于稳定性较强的鲁棒控制，更是能够直接解决参数不准、建模误差以及物质系统受干扰等控制问题；智能控制方法较多，其中最典型的是模糊控制。模糊控制对于数学模型依赖程度较低，可以依靠专家经验对非线性因素的影响进行有效克服。现阶段，建立精确的风力发电机数学模型难度较大，因此在控制风力发电机组时，模糊控制能够取得良好效果，已经受到广大研究人员的关注和重视。
        3技术发展趋势展望
        为提高风力发电效率，降低成本，改善电能质量，减少噪声，实现稳定可靠运行，风力发电将向大容量、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展：
        （1）风力发电机大型化。这可以减少占地，降低并网成本和单位功率造价，有利于提高风能利用效率。（2）采用变桨距和变速恒频技术。变桨距和变速恒频技术为大型风力发电机的控制提供了技术保障。其应用可减小风力发电机的体积、重量和成本，增加发电量，提高效率和电能质量。（3）风力发电机直接驱动。直接驱动可省去齿轮箱，减少能量损失、发电成本和噪声，提高了效率和可靠性。（4）风力发电机无刷化。无刷化可提高系统的运行可靠性，实现免维护，提高发电效率。（5）智能化控制。采用先进的模糊控制、神经网络、模式识别等智能控制方法，可以有效克服风力发电系统的参数时变与非线性因素。（6）采用磁力传动技术和磁悬浮技术，使电机能够“轻风起动，微风发电”。
        4结语
        风能作为清洁的可再生能源，具有大规模开发、利用的前景，世界许多国家政府不断出台风能开发、利用的鼓励政策，使全球的风力发电在累计装机、单机组容量、设计制造与控制技术及海上风电等方面得到了快速发展。本文对国内外风力发电现状进行了梳理、分析与归纳，并对我国风电发展进程及存在的问题进行了详细阐述;指出了世界风电发展趋势及我国风电的发展方向，为全面掌握世界各国风力发电的发展状况、了解风电的发展趋势、指导我国风电行业的发展提供有效参考。
        参考文献：
        [1]基于PLC的风力发电控制系统设计[J].龙海飚.山东工业技术.2018(18)
        [2]继电保护可靠性管理系统设计与实现[J].蒋钻,于乐征.南方农机.2018(16)
        [3]我国风电技术进展及趋势[J].姚兴佳,刘颖明,宋筱文.太阳能.2017(10)
        [4]浅析风力发电并网技术及电能质量控制[J].李昆.应用能源技术.2018(11)
        [5]基于PLC风力发电控制系统的设计技术研究[J].陈璇.科技资讯.2017(28)